Оптимальная первая ступень

[Shestoper]

Резервуар из стали диаметром 7 метров, длиной 30 метров, с двумя полусферическими днищами и одним внутри (разделяющим компоненты) при толщине стенок 13 мм будет весить 92,6 тонн.

Его внутренний объем будет составлять 1334 кубометра.

При его заправке переохлажденным кислородом и керосином в него влезут около 1360 тонн топлива.

Массовое соврешенство бака  - 0,064.

Так что в 5 раз больше будут весить только баки, но не двигатели.

[freinir]

Резервуар из стали диаметром 7 метров, длиной 30 метров, с двумя полусферическими днищами и одним внутри (разделяющим компоненты) при толщине стенок 13 мм будет весить 92,6 тонн.

Его внутренний объем будет составлять 1334 кубометра.

При его заправке переохлажденным кислородом и керосином в него влезут около 1360 тонн топлива.

Массовое соврешенство бака  - 0,064.

Так что в 5 раз больше будут весить только баки, но не двигатели.

но это уже не мало....

[Дмитрий В.]

Резервуар из стали диаметром 7 метров, длиной 30 метров, с двумя полусферическими днищами и одним внутри (разделяющим компоненты) при толщине стенок 13 мм будет весить 92,6 тонн.

Его внутренний объем будет составлять 1334 кубометра.

При его заправке переохлажденным кислородом и керосином в него влезут около 1360 тонн топлива.

Массовое соврешенство бака  - 0,064.

Так что в 5 раз больше будут весить только баки, но не двигатели.

1)Вы совмещенное днище собираетесь делать однослойным или трехслойным с заполнителем?
2)Остатки незабора и массу газов наддува не забудьте приплюсовать.
3)Ну, и двигатели с вытеснительной системой подачи, обычно имеют существенно большую удельную массу, чем ЖРД с насосной подачей.

[Shestoper]

1)Вы совмещенное днище собираетесь делать однослойным или трехслойным с заполнителем?

Трехслойным. Но не надо забывать, что у совмещенного днища - с каждой стороны давление 20 атмосфер. Ему нужно выдерживать только давление налитого сверху кислорода. Так что совмещенное днище будет не тяжелее, чем в ракетах с насосными ЖРД.

2)Остатки незабора и массу газов наддува не забудьте приплюсовать.
3)Ну, и двигатели с вытеснительной системой подачи, обычно имеют существенно большую удельную массу, чем ЖРД с насосной подачей.

 
Поэтому я на массовое совершенство выше 0,12 и не расчитываю.

[RadioactiveRainbow]

3)Ну, и двигатели с вытеснительной системой подачи, обычно имеют существенно большую удельную массу, чем ЖРД с насосной подачей.

Пардон? А это, если не секрет, почему?

[Shestoper]

Кстати да.
Может это справедливо только для двигателей верхних ступеней? Там применяются вытеснительные ЖРД, и чтобы получить высокий УИ при низком давлении, имеют огромные сопла с очень большим расширением.

Думаю для ЖРД, предназначеных работать у земли, разница в удельной массе будет не так велика.
Если у вытеснительного ЖРД более крупная и тяжелая камера - зато нет ТНА и газогенератора.

[Дмитрий В.]

3)Ну, и двигатели с вытеснительной системой подачи, обычно имеют существенно большую удельную массу, чем ЖРД с насосной подачей.

Пардон? А это, если не секрет, почему?

Для создания равной тяги их приходится делать больших размеров

[Дмитрий В.]

Ну, днище же не сделаешь нулевой толщиной, потом учтите, что один металлический слой днища соприкасается с ЖК, а второй - с "горячей" подушкой наддува. Скорее всего, совмещенное днище будет тяжелее, чем два раздельных. Правда, выигрыш все равно будет за счет отказа от МБО.  Что касается массового совершенства, можно посмотреть на Р-11 и Диамант.

[RadioactiveRainbow]

А вот это, между прочим, очень даже вопрос - будет ли двигатель низкого давления тяжелее нормального. ТНА-то совсем не легкий )))

[Shestoper]

Для создания равной тяги их приходится делать больших размеров

Камеру сгорания больших размеров, но зато расширение сопла меньше, так что максимальный диаметр сопла примерно такой же (у всех двигателей, работающих у земли, давление на среде сопла одного порядка, не то что у пустотников). И давление в камере сгорания тоже меньше.
Плюс отсутствие ТНА.
Думаю что если разница в массе и будет, то порядка 10-20%, не больше.

[Дмитрий В.]

Для создания равной тяги их приходится делать больших размеров

Камеру сгорания больших размеров, но зато расширение сопла меньше, так что максимальный диаметр сопла примерно такой же (у всех двигателей, работающих у земли, давление на среде сопла одного порядка, не то что у пустотников). И давление в камере сгорания тоже меньше.
Плюс отсутствие ТНА.
Думаю что если разница в массе и будет, то порядка 10-20%, не больше.

Ну, да ... +10-20% там, +10-20% сям... Вы, кстати, посчитали сколько тонн газа наддува потребуется для ступени с вытеснительной подачей?

[freinir]

Да ладно блин..... баки такие особо дешевле не будут, а двигла будет больше, старт мощнее и т.д.

[Shestoper]

Ну, да ... +10-20% там, +10-20% сям... Вы, кстати, посчитали сколько тонн газа наддува потребуется для ступени с вытеснительной подачей?

Если наддувать бак окислителя азотом с температурой 500 К - 22,5 кг газа на кубометр бака.
Бак горючего можно наддувать метаном - 13 кг на кубометр при той же температуре.
Масса газов наддува примерно 1,9% от массы топлива.

Нужен будет бачок для жидкого метана, азота, и совсем маленький - для кислорода. Оттуда компоненты будут вытесняться сжатым газом в два газогенератора, и формировать там подогретый метановый и кислородный газ. Впрочем для упрощения системы наддува можно кислородный бак надувать и горячим кислородом, тогда не нужен отдельный бачок с жидким азотом. Азот останется только в баллонах высокого давления для вытеснения кислорода и метана в газогенераторы.

[Shestoper]

Да ладно блин..... баки такие особо дешевле не будут, а двигла будет больше, старт мощнее и т.д.

Думаю что проще всё-таки сварить 13-мм стальной лист, чем 40-мм алюминиевый, и потом фрезеровать из него вафлю. К тому же вытеснительный двигатель малочувствителен к посторонним частицам. Так что требования к обработке внутренней поверхности бака снижаются. Трудоемкость изготовления баков снижается значительно, на десятки процентов.
Но главная экономия - не на баках, а на отсутствии ТНА. В двигателе нигде давление не превысит 30 атмосфер - сравните с 500 атмосфер в ТНА. Число деталей в дигателе тоже резко уменьшится, движущися деталей, кроме клапанов, не останется.
При равной тяге двигатель будет дешевле раза в три.
А рост тяги двигателей будет на несколько десятков процентов, не в разы.
Стартовая масса ракеты будет больше в 1,3 раза по сравнению с двигателями с характеристиками F-1 на первой ступени, и в 1,6 раза больше по сравнению с ракетой с  РД-170.

[Shestoper]

Что касается массового совершенства, можно посмотреть на Р-11 и Диамант.

У первой ступени Диамата - 0,133.
У Р-11 - 0,2, но это очень древняя ракета.
Думаю для тяжелых носителей массовое совершенство 0,12-0,13 вполне достижимо.

[Shestoper]

Ещё одно преимущество такой ракеты - очень низкая чувствительность к акустическим нагрузкам.
Корпус прочный, как у ТТУ, а число Маха в выхлопе меньше (из-за меньшей молекулярной массы выхлопа, у РДТТ в выхлопе присутствует оксид алюминия).
Поскольку акустические нагрузки зависят от числа Маха в 4 степени, то по сравнению например с РД-170 при равной тяге уровень акустических нагрузок будет меньше в 3 раза.
Даже с учетом роста стартовой массы такой ракеты при равной ПН - уровень аккустических нагрузок остается вдвое меньше. C учетом большой прочности корпуса их выдержать легко.

[Дмитрий В.]

Так, и все-таки, давайте-ка подведем некоторые итоги и окончательно определимся с Вашим вариантом:
1)Какие компоненты топлива используются на 1-й ступени?
2)Давление в КС и в топливном отсеке?
3)Система наддува (какой газ, способ нагрева газа, температура газа наддува)?
3)Тяга ЖРД 1-й ступени? Количество ЖРД (при выиеснительной подаче разницы между камерой и ЖРД , практически, нет).
4)Тяга ЖРД 2-й ступени?
Э-э-э... Я не туплю, просто в течение обсуждения рассматривались разные подварианты. Захотелось определенности. Попробую посчитать поточнее Ваш вариант.

[Shestoper]

1) Компоненты топлива - керосин и кислород.
Плотные, дешевые, с высоким УИ, экологичные. Метан увы не пойдет - мала плотность, чтобы хранить в тяжелых баках.

2) Давление в КС - 20 атмосфер, в баках - ну пускай 30, думаю достаточный перепад. УИ будет примерно 230-235 с у земли, в пустоте - 250.

3) Наддув бака горючего - водородом. Бака окислителя - кислородом.
Температура бака газа наддува - максимально приемлимая. Думаю в районе 500 К.
Газ вырабатывется в газогенераторах (сладком и кислом), куда жидкий водород и кислород поступают из маленьких бачков, вытесненные газом высокого давления - азотом (для бачков газа надо мало, его плотность не особо важна).

4) Тяга ЖРД первой ступени - зависит от массы носителя. Тяговооруженность первой ступени - в районе 1,3-1,5.
Количество камер - минимально возможное. Камеры большие, тонн на 600-700. Для средних носителей - одна камера. Для тяжелых и сверхтяжелых - две или несколько (до 18 ).

5) Тяга ЖРД второй ступени - такая, чтобы обеспечивать тяговооруженность в районе 1-1,2.
На второй ступени применяются водородники умеренной напряженности, открытой схемы, давление в КС в районе 100 атм.
УИ за счет большого расширения - около 450 с.

Что касается тяги - думаю нужно два водородника: для средних носителей тягой тонн 120-150. Для тяжелых и сверхтяжелых - тонн 300-400. На средних и тяжелых носителях на второй ступени по одному двигателю, на сверхтяжелых - несколько.

Компоновка - тандем.
Масса первой ступени - 75% от стартовой массы. Тогда можно получить мю ПН в районе 3%.

[Shestoper]

В общем по концепции носители очень похожие на Арес-1 и Арес-5 - минимальное количество простых ненапряженных двигателей для снижения стоимости и роста надежности.

Только вместо ТТУ - ЖРД с ВСП, не требующие специального завода для отливки зарядов, перевозки по сегментам, с более дешевым топливом и с экологичным выхлопом.

[Дмитрий В.]

3) Наддув бака горючего - водородом. Бака окислителя - кислородом.
Температура бака газа наддува - максимально приемлимая. Думаю в районе 500 К.
Газ вырабатывется в газогенераторах (сладком и кислом), куда жидкий водород и кислород поступают из маленьких бачков, вытесненные газом высокого давления - азотом (для бачков газа надо мало, его плотность не особо важна).

Спасибо, теперь все данные есть.
Одно замечание - предложение. Не стоит заморачиваться с газогенераторами для выработки газа наддува: ЖК и ЖВ можно испарять в рубашке ЖРД, заодно и двигатель охлаждать будут.